Vers la compréhension des cellules de décrochage et des cellules de tremblement transsonique

Towards understanding stall cells and transonic buffet cells

• Auteur / Autrice : Frédéric Plante
• Direction : Julien Dandois, Eric Laurendeau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 10/12/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec Polytechnique Montréal (Québec, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Centre de Meudon
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Vetel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Georges Gerolymos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Spalart, Jeffrey Crouch, Daniella Raveh

Mots clés

Mots clés contrôlés

Navier-Stokes, Équations de

Tourbillons (mécanique des fluides)

Tremblement (aérodynamique)

Décrochage dynamique

Aéronautique -- Recherche

Mots clés libres

Décrochage

Tremblement transsonique

Simulation instationnaire

Analyse de stabilité globale

Cellules tridimensionnelles

Surface portante

Stall

Transonic buffet

Unsteady simulation

Global stability analysis

Tridimensional cells

Lifting surface

Résumé

L’enveloppe de vol des aéronefs civils est limitée par plusieurs phénomènes aérodynamiques. Parmi ceux-ci figurent le décrochage et e tremblement transsonique. Le décrochage est une perte de portance causée par la séparation de l’écoulement à forte incidence, alors que le tremblement est une instationnarité de l’interaction entre une onde de choc et la couche limite séparée. Dans ces deux conditions, des effets tridimensionnels appelés respectivement cellules de décrochage et cellules de tremblement sont observés. En condition transsonique, ces dernières sont associées à des fréquences de tremblement plus élevées en 3D qu’en 2D. Le but de cette thèse est d’améliorer la compréhension de ces phénomènes. Des simulations des équations Reynolds-Averaged Navier-Stokes et des Zonal Detached Eddy Simulations sont utilisées pour caractériser ces phénomènes sur des ailes en flèche infinie. Ces analyses montrent des cellules statiques pour les ailes sans flèche, et leur convection lorsque l’aile est en flèche. Par la suite, des analyses de la stabilité globales ont utilisées pour étudier la transition entre l’état 2D et 3D. Un mode instable similaire est observé entre les deux régimes d’écoulement, expliquant ainsi la présence de ces cellules. Finalement, un modèle basse-fidélité basé sur la théorie des surfaces portantes est utilisé. Ce dernier prédit les cellules de décrochage lorsque la pente du coefficient de portance est négative. Ces résultats indiquent que les cellules de tremblement sont causées par une instabilité analogue à celle causant les cellules de décrochage. On peut ainsi remettre en question l’interprétation classique du tremblement 3D.

The flight envelope of civil aircraft is bounded by several aerodynamic phenomena, of which the stall and the transonic buffet. Stall is defined as a loss of lift caused by flow separation, while the transonic buffet is an unsteady phenomenon resulting from the interaction between a shock wave and a separated boundary layer. In both cases, three-dimensional features named respectively stall cells and buffet cells are observed experimentally and nu-merically. In buffet condition they are linked to a higher frequency in 3D than in 2D. This thesis aims to improve the knowledge of these phenomena. First, Unsteady Reynolds Navier-Stokes simulations and Zonal Detached Eddy Simulations are used to characterize the three-dimensional stall and buffet over infinite s wept w ings. These analyses show the occurrence of cellular patterns which are stationary for unswept wings and convected when the wing is swept. Then, global stability analyses are used to study the transition between a two-dimensional flow and the three-dimensional condition with c ells. These analyses exhibit a similar unstable mode between the two flow regimes, thus explaining the occurrence of the cells. At last, a low order model relying on a lifting surface model is used to explain the stall cells. This model exhibits an instability which causes the flow to become three-dimensionalwhen the lift slopes are negative. Together these results lead to think that the buffet cells are caused by an instability akin to the stall cell one and to question the usual interpretation of the 3D buffet.